《AFM》：通過環(huán)境控制的3D生物打印組織，有望克服肥胖并發(fā)癥

來源：材料科學與工程

脂肪組織是重要的內分泌器官，通過與其他器官協(xié)調從而在代謝調節(jié)中起關鍵作用。然而，用完全填充的脂肪生成脂滴重建天然脂肪組織的形態(tài)仍然具有挑戰(zhàn)性，主要是因為當前脂肪結構的細胞密度低導致脂肪生成不成熟。

來自韓國浦項科技大學和釜山國立大學的學者開發(fā)了一種在體外進行環(huán)境控制的浴內3D生物打印技術，以創(chuàng)造完全成熟的致密包裝脂肪組織(DPAT)。以1%海藻酸鹽和1.5%脂肪脫細胞基質組成的混合生物墨水作為沐浴懸浮液，用于細胞的選擇性和致密增殖。在混合浴懸浮液中，以高細胞密度(>107cell ml−1)打印的構建體在預定區(qū)域內增殖，而不會在整個浴液中出現(xiàn)不必要的細胞遷移，從而形成致密的細胞微環(huán)境。結果表明，成脂4周后，選擇性增殖的前脂肪細胞可以分化為積脂的成熟脂肪細胞。所得到的體內的類DPAT在體外成功地進行了工作。DPAT結構顯示了肥胖患者在相關條件下與肥胖相關的生理變化。通過與單核細胞共培養(yǎng)重現(xiàn)肥胖引起的炎癥脂肪組織，揭示了所提出的策略作為克服肥胖相關并發(fā)癥的一種有希望的解決方案的有效性。相關文章以“Engineering Densely Packed Adipose Tissue via Environmentally Controlled In-Bath 3D Bioprinting”標題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202200203

圖 1.本研究中亮點和工作流程的示意圖。A）脂肪組織的解剖學及其與幾個器官的代謝通訊。B）用于環(huán)境控制浴內3D生物打印的概念設計，目的是創(chuàng)建DPAT結構。C）DPAT結構工程中涉及的工作流程和時間表。

圖 2. 建立混合浴生物墨水配方以指導預定義區(qū)域的選擇性細胞增殖。A) 當載有細胞的生物墨水在環(huán)境受控和不受控制的條件下被擠出時，浴中 3D 生物打印的示意圖。本文用流變學用于確認 B) Bingham 塑性行為和 C) 四種不同混合生物墨水 (n = 3) 的剪切恢復特性。D)顯示藻酸鹽和含Ca2+溶液交聯(lián)后形態(tài)變化的熒光結果。E) 在第 0 天通過顯微鏡以直線觀察浴中打印的細胞結構，并用 DAPI 和 F-肌動蛋白染色它們的熒光圖像，以確認初始打印區(qū)域內的細胞密度。F) 細胞占據的相對面積和 G) 將載有前脂肪細胞的生物墨水擠出到不同的混合浴生物墨水成分 (n = 3) 中時的細胞增殖能力的定量結果。

圖 3. 由傳統(tǒng)脂肪組織工程方法和環(huán)境控制的浴內 3D 生物打印創(chuàng)建的脂肪組織等效物的形態(tài)學比較。A) 實驗組示意圖。B) BODIPY 染色顯示成熟脂肪細胞的脂滴。定量結果顯示 C) 直徑和 D) 每組中每單位面積的成熟脂肪細胞數 (n = 3)。

圖 4. 對通過傳統(tǒng)脂肪組織工程方法和環(huán)境控制的浴內 3D 生物打印創(chuàng)建的脂肪組織等效物進行定量分析。代表性脂肪因子的分泌水平：A) 脂聯(lián)素和 B) 瘦素 (n = 3)。C) 脂肪生成和脂肪生成相關基因表達的 qRT-PCR 結果 (n = 3)。

圖 5.評估肥胖誘導的DPAT構建體中與體內肥胖脂肪組織相關的病理特征。A）健康和肥胖脂肪組織中胰島素刺激的葡萄糖攝取的改變。B）在正常血糖（健康）和肥胖誘導（肥胖）條件下培養(yǎng)的DPAT構建體的BODIPY結果。D）細胞內甘油三酯和E）晚期糖基化終產物積累的定量分析（n = 3）。

圖 6.通過與單核細胞共培養(yǎng)，在 DPAT 結構中重現(xiàn)慢性低度脂肪炎癥。A) 示意圖展示了健康和肥胖脂肪組織中脂肪組織巨噬細胞的代謝調節(jié)。B) 示意圖和 C) 使用肥胖DPAT 構建體的 透射趨化性實驗的照片。D) 用 DiI (紅色) 染色的遷移單核細胞。從插入物下方的培養(yǎng)基中收集單核細胞。E) 遷移的單核細胞數 (n = 3)。F) 抗炎和 G) 促炎細胞因子的 qRT-PCR 結果通過收集四個細胞樣本 (n = 3)：1) 由成熟脂肪細胞組成的健康 DPAT 構建體；2)由成熟的脂肪細胞和單核細胞組成的健康單核細胞；3)由肥胖誘導的成熟脂肪細胞組成的肥胖DPAT構建體；4)由肥胖誘導的成熟脂肪細胞和單核細胞組成的肥胖單核細胞。H) 健康單核細胞和 I) 肥胖單核細胞的水平橫截面積的免疫熒光圖像。定量分析單位面積（n=3）中J）CD208-和K）CD68陽性炎癥細胞的數量

總之，這項研究提出了一種環(huán)境控制的3D生物打印技術，可以在體外創(chuàng)建形態(tài)和功能上的仿生脂肪組織。為此，本文基于流變學和生物學分析開發(fā)了一種用于指導選擇性細胞增殖的混合生物墨水。所提出的技術允許前脂肪細胞位于預定義的限制區(qū)域，并在 28 天后成功地成為由富含脂質的成熟脂肪細胞組成的 DPAT 結構。與傳統(tǒng)工程方法產生的相比，所獲得的 DPAT 構建體在大小上與體內成熟的脂肪細胞相似，并且表現(xiàn)出最高水平的代表性脂肪基因表達和脂肪因子分泌。進一步證明，DPAT 構建體可以通過脂肪細胞肥大和增加的胰島素抵抗來概括與長期營養(yǎng)過剩下的肥胖相關的病理變化。單核細胞向肥胖的 DPAT 結構遷移并分化為 M1 巨噬細胞，導致脂肪組織出現(xiàn)慢性炎癥。當單核細胞共培養(yǎng)時，它們根據其駐留狀態(tài)主要分化為 M1 或 M2 巨噬細胞。此外，冠狀結構證明了體外 DPAT 結構中慢性發(fā)炎的脂肪組織的成功再現(xiàn)�？傮w而言，本文提出的生物打印策略顯示出作為解決與脂肪組織相關的幾種并發(fā)癥和疾病的可靠工程平臺的潛力。未來的研究應包括當前 DPAT 結構中的血管化，以確保營養(yǎng)供應。